透鏡系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】透鏡系統(tǒng)。一種光學(xué)系統(tǒng)包括第一可形變透鏡，第一可形變透鏡包括具有形變部分的膜。傳感器被設(shè)置為接收由第一可形變透鏡聚焦的光。光路經(jīng)由第一形變透鏡延伸至傳感器。根據(jù)所施加的電信號對第一可形變透鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)，以將穿過光路的光直接聚焦到傳感器上。所述膜的可形變部分至少部分地限定了第一體積的第一光介質(zhì)和第二體積的第二光介質(zhì)。第一體積和第二體積完全被殼體包住。第一體積和第二體積對于第一可形變透鏡的所有結(jié)構(gòu)都是基本上不變的。
【專利說明】透鏡系統(tǒng)
[0001]本申請是原案申請?zhí)枮?01080020812.2的發(fā)明專利申請(國際申請?zhí)?PCT/EP2010/053025，申請日；2010年3月10日，發(fā)明名稱:透鏡系統(tǒng))的分案申請。
[0002]根據(jù)35U.S.C.§ 119(e)，本發(fā)明享有2009年3月13日提交的N0.61/160，012的題為“Zoom Lens System and Method”的美國臨時申請的優(yōu)先權(quán),并在此全文引入作為參考。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及透鏡以及操作透鏡的方法。

【背景技術(shù)】
[0004]目前存在運(yùn)用不同工作原理的多種形式的光學(xué)系統(tǒng)。例如，無焦透鏡(afocallens)不具備聚焦能力并且將一個光束直徑的平行光轉(zhuǎn)換為另一個直徑的平行光。通過在無焦系統(tǒng)后加入單獨(dú)的聚焦透鏡，就創(chuàng)建了齊焦透鏡(parfocal lens)。在傳統(tǒng)的變焦鏡頭系統(tǒng)中，僅需前后移動無焦部分的透鏡元件就能獲得變焦效果，同時保持聚焦鏡頭靜止。因此，當(dāng)變焦倍率/焦距長度改變時，齊焦透鏡保持對焦(in focus)。
[0005]在另一種方法中，可變焦距透鏡系統(tǒng)有時應(yīng)用于目前的光學(xué)系統(tǒng)中?？勺兘咕嘞到y(tǒng)不是基于將一個光束直徑的平行光轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€光束直徑的平行光。而是第一可軸向移動的聚焦透鏡使光朝著第二或者第三透鏡(是聚焦透鏡)匯聚或者發(fā)散。為了在像平面總是獲得清晰的像，聚焦透鏡不能保持靜止，必須是軸向可移動的或者焦距可調(diào)的。因此，當(dāng)放大率/焦距長度改變時，可變焦距透鏡調(diào)整最終聚焦透鏡的位置或者形狀。
[0006]無論使用哪種方法，傳統(tǒng)的變焦鏡頭都體積大、價格昂貴、容易出現(xiàn)材料磨損，因?yàn)槎鄠€光學(xué)元件不得不通過使用電動的平動臺(translat1n stage)相對于其他元件作軸向移動。由于這種透鏡的工作原理和操作，對它們進(jìn)行小型化從而用在在手機(jī)、醫(yī)療內(nèi)窺鏡或空間狹小的其他設(shè)備中的潛力是有限的。
[0007]為了克服以前系統(tǒng)中出現(xiàn)的上述缺陷，將使用焦距可調(diào)透鏡來取代軸向移動的、固定的不可形變的透鏡。在這些以前的系統(tǒng)中，透鏡的形狀被改變，以改變焦距長度等透鏡的光學(xué)性質(zhì)。
[0008]不幸的是，這些以前的方法仍然有一些缺點(diǎn)。更具體地說，由于所選的變焦原理(比如無焦點(diǎn)/齊焦點(diǎn)系統(tǒng))，或者因?yàn)椴痪邆渥銐蛘{(diào)節(jié)范圍的可形變透鏡(比如電潤濕透鏡或者液晶透鏡)的構(gòu)成或工作原理，這些方法在充分減小軸向長度同時在傳感器上產(chǎn)生高變焦因子以及充分大的圖像尺寸的潛力是有限的。因此，這些以前系統(tǒng)中的缺點(diǎn)限制了它們的應(yīng)用，并且采用這些以前的方法也不能讓用戶滿意。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]變焦透鏡提供了可形變的透鏡，克服了傳統(tǒng)變焦透鏡和使用可形變透鏡的傳統(tǒng)方法中的缺點(diǎn)。這里的可形變透鏡，舉幾個例子，至少部分地由一個元件來調(diào)節(jié)，比如靜電致動器、電磁致動器、壓電致動器、磁致伸縮致動器、步進(jìn)電機(jī)或電活性聚合物致動器，這些元件可以提供更大的焦距調(diào)節(jié)范圍。此外，本文給出的變焦透鏡采用了變焦距操作原理，而不是無焦點(diǎn)/齊焦點(diǎn)原理。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，使用單個焦距可調(diào)透鏡作為單個自動聚焦元件。
[0010]在許多實(shí)施方式中，包括第一可形變透鏡的緊湊型變焦透鏡由具有可形變部分的膜和填充材料構(gòu)成。在這些方法中，形變至少部分地通過元件來實(shí)現(xiàn)，比如，靜電致動器、電磁致動器、磁致伸縮致動器、壓電電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和電活性聚合物致動器。
[0011]該透鏡還可包括一個靜態(tài)發(fā)散透鏡，其曲率半徑提供了傳感器上的圖像的足夠放大。例如，半徑可大約為1.5毫米，從而提供很強(qiáng)的負(fù)聚焦能力。該透鏡進(jìn)一步包括第二可形變透鏡，第二可形變透鏡由具有可形變部分的膜和填充材料構(gòu)成，并充當(dāng)變焦元件將來自不同場角的光線轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅魃系南Ｍ麍D像尺寸。此外，該透鏡包括傳感器(比如傳感器芯片)，其感測由光學(xué)系統(tǒng)形成的像。通過這樣的配置，該透鏡表現(xiàn)出了可形變透鏡的特性并且具有很寬的調(diào)節(jié)范圍。此外，該透鏡遵循光學(xué)系統(tǒng)的變焦距工作原理，而不是無焦點(diǎn)/齊焦點(diǎn)工作原理(也就是，第二可形變透鏡充當(dāng)直接將光線聚焦到傳感器芯片上的聚焦元件)。
[0012]在其他實(shí)施方式中，變焦透鏡包括用來校正單個透鏡或者整個光學(xué)系統(tǒng)的單色像差的透鏡元件或者一個或更多個相位板。在一些實(shí)施例中，消色差元件被放置在第二可形變透鏡的前面或者后面以校正色差。在另一些實(shí)施例中，場補(bǔ)償致平透鏡被放置在第二可形變透鏡后面以校正光學(xué)系統(tǒng)的場曲。
[0013]在另外一些實(shí)施例中，提供了一種光學(xué)系統(tǒng)，其僅包含第一可形變透鏡并且由具有可形變部分的膜和填充材料構(gòu)成。另選地，第一可形變透鏡的光學(xué)特性可由元件來調(diào)節(jié)以形成自動聚焦元件，這些元件例如是靜電致動器、電磁致動器、磁致伸縮致動器、壓電電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或者電活性聚合物致動器。無論采用哪種方法，來自不同物距光束都被清晰地聚焦在傳感器上。用來校正單色像差的校正透鏡或者相位板也可以應(yīng)用在這些方法中。
[0014]因此，本發(fā)明采用兩個(或者更多)可形變透鏡和一定數(shù)量的固定的、不可形變的光學(xué)元件一起構(gòu)成了一種非常緊湊的變焦距系統(tǒng)?？烧{(diào)節(jié)透鏡由具有可形變部分的膜和填充材料構(gòu)成，并且形變至少部分地由元件來實(shí)現(xiàn)，所述元件例如是靜電致動器、電磁致動器、磁致伸縮致動器、壓電電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或電活性聚合物致動器。經(jīng)過如此的配置，它們能夠提供非常寬的調(diào)節(jié)范圍，優(yōu)于其他透鏡調(diào)節(jié)技術(shù)，比如電潤濕或者液晶。此外，用于校正單色像差的校正透鏡元件或者相位板可以與用在變焦透鏡中的可形變透鏡結(jié)合使用。
[0015]如前所述并與已有變焦系統(tǒng)對比，這里描述的變焦透鏡并不遵循無焦點(diǎn)/齊焦原理，這種工作原理占用空間并且需要大量的光學(xué)元件。相反，透鏡和配置有這些透鏡的系統(tǒng)遵循變焦距工作原理，以大幅減小軸向長度和用于變焦的光學(xué)元件的數(shù)量。一般來說，舉個例子，第一可形變透鏡產(chǎn)生了各種角度的發(fā)散光束，而第二可形變透鏡充當(dāng)直接將這些光聚焦到傳感器上的聚焦元件。
[0016]相比于變焦距工作原理，無焦透鏡不具有聚焦能力，而是將具有一光直徑的平行光線轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛硪恢睆降钠叫泄饩€。通過在無焦系統(tǒng)或者元件后面增加單個聚焦透鏡，形成了齊焦透鏡。在以前的變焦系統(tǒng)中，只移動無焦部分的透鏡元件來得到變焦效果，而聚焦透鏡能夠保持在固定的位置。也就是說，齊焦透鏡是在放大率/焦距改變時保持對焦的透鏡。
[0017]變焦距透鏡系統(tǒng)并不是基于將平行光線從一個直徑變?yōu)榱硪粋€直徑。為了在傳感器上總是能夠獲得清晰的像，聚焦透鏡不是靜止的。也就是說，當(dāng)放大率/焦距改變時，變焦透鏡調(diào)整最終聚焦透鏡的位置或者形狀。換句話說，變焦距透鏡是不固定焦距的，焦點(diǎn)隨著焦距而改變。
[0018]在許多實(shí)施方式中，一種光學(xué)系統(tǒng)包括第一可形變透鏡、傳感器和光路。第一可形變透鏡包括具有形變部分的膜。傳感器被配置成接收被第一可形變透鏡聚焦的光，光路經(jīng)過第一可形變透鏡到達(dá)傳感器。第一可形變透鏡根據(jù)所施加的電信號來調(diào)節(jié)以便將穿過該光路的光直接聚焦至傳感器上。第一體積的第一光介質(zhì)和第二體積的第二光介質(zhì)至少部分地被膜的可形變部分所限定，第一體積和第二體積完全被殼體圍住。第一體積和第二體積對于第一可形變透鏡的所有配置均保持基本不變。
[0019]在一些方面，第一可形變透鏡通過一個元件至少部分地形變，所述元件例如是靜電致動器、電磁致動器、磁致伸縮致動器、壓電電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或電活性聚合物致動器。
[0020]在另一些方面，第二可形變透鏡被設(shè)置在所述光路上。第二可形變透鏡和第一可形變透鏡一起將穿過所述光路的光聚焦至傳感器上。在一些實(shí)施例中，第一和第二可形變透鏡根據(jù)所施加的電信號來調(diào)節(jié)以根據(jù)變焦操作直接將穿過光路的光聚焦至傳感器上。在另一實(shí)施例中，第一可形變透鏡和第二可形變透鏡至少部分地通過一個元件被調(diào)節(jié)，所述元件例如是靜電致動器、電磁致動器、磁致伸縮致動器、壓電電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和電活性聚合物致動器。也可以是其他致動器元件。
[0021 ] 在一些實(shí)施例中，第一可形變透鏡被配置為從凹形變?yōu)橥剐?。在另一些?shí)施例中，第二可形變透鏡被配置為從凸形變?yōu)榘夹巍?br> [0022]也可以使用校正性的固定透鏡元件，并且校正性的固定透鏡元件與第一可調(diào)焦透鏡構(gòu)成一體，并且校正性的固定透鏡與可形變透鏡的可形變材料接觸，并且被配置為校正單色像差或者多色像差。在一些方式中，校正性的固定透鏡元件由剛性材料(比如玻璃或者聚碳酸酯或者PMMA或者環(huán)烷聚酯或者共聚物)構(gòu)成。在一些實(shí)施例中，在兩個可形變透鏡中間設(shè)置了孔徑光闌。在另一些方式中，孔徑光闌被設(shè)置在第一可形變透鏡的內(nèi)部。
[0023]在一些方面，固定的不可形變透鏡被設(shè)置在所述光路上。固定的不可形變透鏡由剛性材料構(gòu)成，并且固定的不可形變透鏡被配置為校正單色或球面像差。
[0024]在另一些方面，至少一個固定的不可形變透鏡被設(shè)置在所述光路上。固定的不可形變透鏡由剛性材料構(gòu)成，并且固定的不可形變透鏡被配置為校正多色像差。
[0025]在另外一些實(shí)施例中，校正透鏡設(shè)置在所述光路。校正透鏡由剛性材料(比如玻璃或者聚碳酸酯或者PMMA或者環(huán)烷聚酯或者共聚物)構(gòu)成，并且校正透鏡被設(shè)置在最靠近傳感器的可形變透鏡與傳感器之間。
[0026]在一些方式中，該光學(xué)系統(tǒng)的總軸向長度減小到了值L從而該透鏡能夠?qū)τ趯情L度為d、比率r = L/(k*d)的圖像傳感器產(chǎn)生變焦因數(shù)k。比率R小于大約0.7，此時產(chǎn)生的圖像尺寸以充分變焦的狀態(tài)完全照亮了傳感器。
[0027]致動信號也可以有多種來源。比如，致動信號可以是人工生成的信號或者自動生成的信號。
[0028]在其他一些實(shí)施方式中，一種透鏡系統(tǒng)包括第一可形變透鏡、校正光學(xué)元件、傳感器和光路。第一可形變透鏡包括填充材料，校正光學(xué)元件接觸該填充材料。傳感器被配置為接收被第一可形變透鏡聚焦的光。光路經(jīng)過第一可形變透鏡和校正元件到達(dá)傳感器。第一可形變透鏡根據(jù)所施加的人工或者自動電信號來調(diào)節(jié)，以便將穿過光路的光直接聚焦至傳感器上，并且校正元件調(diào)節(jié)穿過光路的光的至少一個特性。
[0029]第一可形變透鏡可以通過一個元件來至少部分地被調(diào)節(jié)，所述元件例如是靜電致動器、電磁致動器、壓電電機(jī)、磁致伸縮致動器、步進(jìn)電機(jī)和電活性聚合物致動器。也可以是其他致動元件。
[0030]在其他實(shí)施例中，第二可形變透鏡設(shè)置在光路上，第二可形變透鏡與第一可調(diào)節(jié)透鏡一起將穿過光路的光聚焦至傳感器上。在許多實(shí)施例中，第一可形變透鏡和第二可形變透鏡通過一個元件至少部分地被調(diào)節(jié)，所述元件例如是靜電致動器、電磁致動器、壓電電機(jī)、磁致伸縮致動器、步進(jìn)電機(jī)和電活性聚合物致動器。
[0031]在其他方面，被校正光學(xué)元件和填充材料限定的界面在光通過的地方不存在屈折點(diǎn)(inflect1n point)。通常不希望在這些元件上出現(xiàn)屈折點(diǎn)，因?yàn)檫@和溫度敏感度相關(guān)。如果光學(xué)表面存在屈折點(diǎn)，則當(dāng)溫度(作為對折射率差的增強(qiáng)敏感度而)偏離設(shè)計溫度時，填充材料與校正透鏡元件之間的界面中的任何超過二(二次的)的附加表面級數(shù)都會導(dǎo)致像質(zhì)的急劇下降。消除所有的屈折點(diǎn)就能消除或者基本上消除這些問題。
[0032]這里所說的校正透鏡包括被構(gòu)造成某種形狀的前表面和后表面。形狀可以是很多種形狀，比如球面或者非球面形狀，或者可以由高階多項式來描述，得到例如具有非球面系數(shù)級數(shù)等于或者大于大約4的m形狀,或者具有非球面系數(shù)級數(shù)等于或者大于大約4的w形狀。也可以是其他形狀。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]為了更好地理解本發(fā)明，參考以下詳細(xì)描述和附圖，其中:
[0034]圖1A和IB包括根據(jù)本發(fā)明原理的透鏡系統(tǒng)的圖；
[0035]圖2A和2B包括根據(jù)本發(fā)明原理的變焦透鏡系統(tǒng)的框圖；
[0036]圖3包括根據(jù)本發(fā)明原理的透鏡系統(tǒng)的圖；
[0037]圖4A、4B、4C和4D是根據(jù)本發(fā)明多種實(shí)施方式的透鏡系統(tǒng)的圖；
[0038]圖5A、5B、5C和包括根據(jù)本發(fā)明多種實(shí)施方式的透鏡系統(tǒng)的圖；
[0039]圖6A和6B包括根據(jù)本發(fā)明多種實(shí)施方式的透鏡系統(tǒng)的圖；
[0040]圖7A、7B、7C、7D、7E和7F包括根據(jù)本發(fā)明多種實(shí)施方式的透鏡系統(tǒng)的圖；
[0041]圖8A和8B包括根據(jù)本發(fā)明多種實(shí)施方式的透鏡系統(tǒng)的圖；
[0042]圖9包括根據(jù)本發(fā)明多種實(shí)施方式的透鏡系統(tǒng)的圖。
[0043]在一些具有相同或者相似元件的相關(guān)附圖中，為清楚起見,沒有標(biāo)出一些元件。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解這些簡化了的附圖中的元件。還應(yīng)理解，一些操作和/或步驟可描述或描繪為按照特定的順序發(fā)生，同時本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)際上并不需要知道順序也會理解這種特殊性。還應(yīng)理解，這里使用的詞語和表達(dá)方式具有通常的意義，與相關(guān)領(lǐng)域的詞匯的表達(dá)方式是一致的，除非在本文中提前說明了具有特殊的含義。

【具體實(shí)施方式】
[0044]現(xiàn)在參照附圖特別是圖1A來描述在不變焦的廣角狀態(tài)下(比如變焦因數(shù)=I)的變焦透鏡。第一可形變透鏡101被表示為低聚焦能力的狀態(tài)。第一相位板或者校正透鏡元件102可選地用來校正透鏡的單色像差(比如球面像差)或者色差。透鏡組103包括一個或更多個固定的可形變透鏡，起到支持隨后的第二可形變透鏡104的變焦功能的作用，并且用來消除諸如球面像差的單色像差或者色差。
[0045]第二可形變透鏡104處于高聚焦能力狀態(tài)，遵循變焦距工作原理將光聚焦到圖像傳感器107上。第二相位板或者校正透鏡元件105用來校正單色像差或者多色像差。場補(bǔ)償致平透鏡106用來校正光學(xué)系統(tǒng)的像場彎曲。像最終形成在圖像傳感器107上。在一些實(shí)施例中，可以省略校正透鏡或者透鏡組103或106，或者采用另外的校正元件。
[0046]第一可形變透鏡101和第二可形變透鏡104的形狀可以通過采用元件來改變，比如靜電致動器、電磁致動器、壓電電機(jī)、磁致伸縮致動器、步進(jìn)電機(jī)和電活性聚合物致動器。
[0047]可形變透鏡101被第一電壓或者電流控制元件108在接收到來自自動或者人工操作的輸入信號的情況下進(jìn)行電流或者電壓控制。自動操作也許是自動聚焦算法。自動聚焦算法是提供對像進(jìn)行自動聚焦的輸入的任意類型的算法。這種自動聚焦算法是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的，將不會在此進(jìn)行描述。第二可形變透鏡104被第二電壓或者電流控制元件109在接收到來自自動或者人工操作的輸入信號的情況下進(jìn)行電流或者電壓控制。
[0048]在此描述的任意一個可調(diào)節(jié)或者可形變透鏡都能根據(jù)在題為“Lens AssemblySystem and Method”、代理人案卷號為97372并且在與本申請的同一天申請的申請中所描述的方法來調(diào)節(jié)，該申請的內(nèi)容在此全文引入。也可以采用其他的調(diào)節(jié)方法。
[0049]圖像傳感器107可以是任何類型的感測裝置?？梢圆捎没贑⑶或者CMOS技術(shù)的任何圖像傳感器。這種圖像傳感器典型地應(yīng)用在任何數(shù)字相機(jī)或者手機(jī)相機(jī)中，并且它們具有多種像素數(shù)量，比如300萬像素或者1200萬像素。圖像傳感器的一個例子是Omnivis1n Inc.0V56301/3.2” 500萬像素傳感器。也可以采用其他圖像傳感器技術(shù)和/或感測芯片。
[0050]現(xiàn)在參照圖1B來描述如圖1中的同樣的變焦透鏡處于充分變焦的長焦?fàn)顟B(tài)(變焦因數(shù)大于約2.5)。如圖所示，第一可形變透鏡101處于高聚焦能力狀態(tài)，而第二可形變透鏡104處于低甚至負(fù)聚焦能力狀態(tài)，以將光束聚焦到圖像傳感器107上。
[0051]如圖1A中的實(shí)施例，因?yàn)椴捎迷?比如靜電致動器、電磁致動器、磁致伸縮致動器、壓電電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和電活性聚合物致動器)實(shí)現(xiàn)了表面形變，所以第一可形變透鏡101和第二可形變透鏡104改變了形狀。如圖1A中的例子，增大電流或者電壓會增大或者減小透鏡的聚焦能力。為了實(shí)現(xiàn)變焦，用戶可以按下按鈕，開始改變第二可形變透鏡的形狀(比如，通過向透鏡施加電壓或者電流)，同時第一可形變透鏡被自動聚焦算法自動調(diào)整，如本文其他部分描述的一樣。
[0052]如圖1A的實(shí)施例，可形變透鏡101被第一電壓或者電流控制元件108在接收到來自自動或者人工操作的輸入信號的情況下進(jìn)行電流或者電壓控制。第二可形變透鏡104被帶有來自自動或者人工操作的輸入信號的第二電壓或者電流控制元件109通過電流或者電壓控制。自動聚焦算法是任何一種能夠?qū)ν哥R進(jìn)行聚焦調(diào)整的算法，并且提供輸入信號到第一電壓或者電流控制元件108或者到第二電壓或者電流控制元件109以指示這些調(diào)整。電壓或者電流控制元件108調(diào)整其電壓或電流，由此來改變透鏡101的光學(xué)特性，從而使像自動聚焦。第一電壓或者電流控制元件108和第二電壓或者電流控制元件109是模擬或者數(shù)字電子元件的任意組合，其接收輸入信號(比如，用戶輸入或者來自自動聚焦算法的信號)并且使用這個信號直接地或者間接地調(diào)整第一可形變透鏡101或者第二可形變透鏡104的形狀。
[0053]更具體來講，透鏡的形狀能夠根據(jù)多種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。除了本文描述的方式外，也可以采用其他的方式。在一個實(shí)施例中，電壓或電流控制元件可以接收電壓和電流，并且基于所接收到的電壓或電流，通過直接接觸透鏡的電引線直接將電壓或電流施加到透鏡上。
[0054]本發(fā)明的固定的不可形變透鏡(也就是那些具有不可形變或者不可調(diào)焦的形狀的透鏡)可以用任何方式形成。比如，圖1A和IB中的靜止透鏡，比如第一相位板或校正透鏡元件102 (如蓋玻補(bǔ)償器)、透鏡組103 (如發(fā)散透鏡或者彎月形透鏡)或者致平透鏡106 (例如用于補(bǔ)償像場彎曲)，能夠通過將材料進(jìn)行注塑成型而得到，材料比如是玻璃或者聚碳酸酯或者PMMA或者環(huán)燒聚酯或者共聚物。也可以采用其他的形成方法和材料，比如玻璃。
[0055]進(jìn)一步地，如果有必要和/或有利，可以采用另外的可形變透鏡。在一些方式中，兩個可形變透鏡能夠達(dá)到很高的效率。然而，在其他實(shí)施例中，也可以采用更多的可形變透鏡。例如，可以使用第三可形變透鏡來實(shí)現(xiàn)多種目的，比如提高光學(xué)質(zhì)量或者增大變焦范圍。
[0056]現(xiàn)在參照圖2A和2B來描述處于不變焦的廣角狀態(tài)(如圖2A)和處于充分變焦的長焦?fàn)顟B(tài)(如圖2B)，主光線204代表光線在系統(tǒng)中的路徑。變焦透鏡包括第一透鏡組201 (它部分地由可形變透鏡和一個或更多個校正透鏡元件構(gòu)成)和第二透鏡組202 (它部分地由可形變透鏡和一個或更多個校正透鏡元件構(gòu)成)以及圖像傳感器203。在多個透鏡組內(nèi)部的校正元件是固定的不可形變透鏡，具有特殊的表面用以補(bǔ)償各種光學(xué)誤差。此外，可以使用紅外(IR)濾光片或者紫外(UV)濾光片。圖2A和2B中整個系統(tǒng)的總長度為L。如圖2A所示，從遠(yuǎn)方物體以角度α進(jìn)入的光線可以成像為與傳感器芯片203的對角線d的一半(其中d是長度的尺寸)相對應(yīng)的像高。如圖2B所示，變焦因數(shù)增大。更具體來講，如圖2B所示，以角度β (小于圖2Α中的角度α )進(jìn)入系統(tǒng)的主光線204成像為與傳感器芯片的對角線一半相對應(yīng)的像高。系統(tǒng)的變焦因數(shù)k被定義為角度α的正切除以角度β的正切。在本文中的許多方式中，光學(xué)系統(tǒng)的軸向總長度用值L表示，透鏡對具有對角線d、比值r = L/(k*d)的圖像傳感器能夠生成變焦因數(shù)k。比值r小于大約0.7，此時，生成圖像的尺寸在不變焦(廣角)狀態(tài)和充分變焦(長焦)狀態(tài)下能夠完全照明傳感器。
[0057]現(xiàn)在參照圖3來描述單個自動聚焦元件，它被單獨(dú)(或者與其他部分構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)中的一部分)地使用。比如，與某個元件(比如靜電致動器、電磁致動器、磁致伸縮致動器、壓電電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和電活性聚合物致動器，如圖1A、1B中的元件101) —起工作的第一或者第二可形變透鏡被用作自動聚焦元件，將來自不同物距的光束清晰地聚焦到傳感器(比如傳感器芯片)上?？梢粤磉x地使用相位板或者校正透鏡元件或者具有校正范圍的不可形變透鏡的透鏡棧(lens stack)來校正透鏡的單色像差(比如球面像差)或者校正多色像差。
[0058]可形變透鏡301通過調(diào)整自身的折射率來適應(yīng)物體的距離。通過減小聚焦能力(實(shí)線)將遠(yuǎn)端物體的光線302清晰地聚焦在圖像傳感器304上，通過增大聚焦能力(虛線)將近端物體的光線303聚焦在圖像傳感器304上?？蛇x的相位板或者校正透鏡元件305能夠被用來補(bǔ)償聚焦可調(diào)透鏡的單色像差或者多色像差。電壓或者電流控制元件(未示出)用來控制可形變透鏡301的形狀，從而調(diào)節(jié)聚焦能力。通過自動聚焦算法來控制施加的電壓。
[0059]圖3的多種元件與圖1A和IB中的元件具有類似的構(gòu)造。例如，可形變透鏡301可以由具有可形變部分的膜和填充材料構(gòu)成，形變是至少部分地通過在一個元件(比如靜電致動器、電磁致動器、磁致伸縮致動器、壓電電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和電活性聚合物致動器)上施加電壓來實(shí)現(xiàn)的。例如，電壓或者電流控制元件可以直接控制電壓或者電流。
[0060]圖像傳感器304可以是任何一種圖像感測裝置。如本文描述的其他傳感器一樣，可以采用任何圖像傳感器，比如，基于CCD或者CMOS技術(shù)的圖像傳感器。也可以采用其他圖像感測技術(shù)。圖像傳感器例如可以是Omnivis1n Inc.0V56301/3.2”500萬像素傳感器。
[0061]本文的方式提供了可以在很廣的范圍內(nèi)應(yīng)用的透鏡結(jié)構(gòu)。例如，可以應(yīng)用在手機(jī)、任何類型的數(shù)字相機(jī)以及醫(yī)療內(nèi)窺鏡中。也可以用于采用應(yīng)用這些方式的其他設(shè)備中。
[0062]如所述的，可以采用多種材料來構(gòu)成透鏡301。對于電活性聚合物，可以采任何彈性體，比如Cargill Inc.生產(chǎn)的20190聚合物。
[0063]現(xiàn)在參照圖4A和4B來描述包含四個透鏡元件并且作為自動聚焦系統(tǒng)進(jìn)行操作的透鏡系統(tǒng)。圖4A中的例子描述了系統(tǒng)的狀態(tài)，這時，透鏡在無窮遠(yuǎn)處的物體上聚焦。光路沿著光軸402 (在其上或者在其兩側(cè))并且穿過所示元件的中心。第一透鏡元件411是可形變透鏡，基于電活性聚合物技術(shù)進(jìn)行工作，采用一個或更多個磁調(diào)制致動器、采用一個或更多個壓電致動器、采用一個或更多個磁致伸縮致動器、采用一個或更多個致動器、或者采用一個或更多個靜電致動器。使用光罩410 (例如由玻璃構(gòu)成)來保護(hù)透鏡元件411的可形變透鏡表面。設(shè)置校正元件412，使之與可形變透鏡材料(例如第一透鏡元件中的填充材料)接觸。在這方面，校正元件412和第一透鏡元件411結(jié)合。校正元件412校正單色像差和多色像差。固定的不可形變校正透鏡414的一個功能是校正球面像差和其他單色像差，并且在后面沿著光軸402放置光闌413。固定的不可形變透鏡415沿著軸向402放置，其后設(shè)置有致平透鏡416，其一個功能是消除像場彎曲。由光線(如沿著光軸402傳播的光)傳送的像最終形成在圖像傳感器平面417上。圖像傳感器可以是任何類型的感測裝置?？梢圆捎没贑XD或者CMOS技術(shù)的任一圖像傳感器。這種圖像傳感器典型地應(yīng)用在任何數(shù)字相機(jī)或者手機(jī)相機(jī)中，并且它們具有多個不同數(shù)量的像素，比如300萬像素或者1200萬像素。例如可以是Omnivis1n Inc.0V56301/3.2” 500萬像素傳感器。也可以采用其他感測技術(shù)和/或傳感器芯片。可形變透鏡411被電流或者電壓控制418在接收到來自自動聚焦算法的輸入的情況下進(jìn)行控制。圖4A中的虛線表示源于相對接近透鏡(近于大約500mm)的物體的光404，并且可形變透鏡411的附加偏移將物體聚焦在像平面417上。
[0064]圖4B例示了如圖4A—樣的系統(tǒng)。但是，在這個例子中，系統(tǒng)的狀態(tài)改變了，物體相比圖4A中投影的物體更接近系統(tǒng)。圖4B中的元件和圖4A中的一樣，在此不再贅述。如圖4B所示，由于透鏡元件411曲率的變化，以發(fā)散角(從物體)進(jìn)入透鏡的光線404被清晰地聚焦在像平面417上。
[0065]在其他實(shí)施例中，變焦系統(tǒng)可以基于如圖4A-4B所述的那樣被構(gòu)造。這種情況下，變焦系統(tǒng)使用了兩個可形變透鏡以及一定數(shù)量的固定的不可形變光學(xué)元件，以產(chǎn)生非常緊湊的基于可變焦距的系統(tǒng)。在本文的其他部分詳細(xì)描述了變焦系統(tǒng)的實(shí)施例。
[0066]如同在自動聚焦系統(tǒng)中的透鏡411，變焦系統(tǒng)中的可形變透鏡是根據(jù)電活性聚合物技術(shù)構(gòu)造的，可采用壓電致動器、采用磁致伸縮致動器或者采用靜電致動器來磁性地調(diào)節(jié)。經(jīng)過這樣構(gòu)造，透鏡能夠提供非常寬的調(diào)節(jié)范圍，優(yōu)于其他調(diào)節(jié)技術(shù)，比如電潤濕或者液晶。此外，用于校正單色像差的相位板或者校正透鏡元件能夠與用在變焦透鏡中的可形變透鏡結(jié)合使用。
[0067]在圖4C和4D所示的實(shí)施例中，第一可形變透鏡411包括可形變膜454。環(huán)形透鏡銳化結(jié)構(gòu)460將膜454分成中心部分、光作用部分456和外周的非光作用部分455。正如所說的，傳感器417被配置為接收由第一可形變透鏡411聚焦的光，并且光路449沿著第一可形變透鏡411延伸到傳感器417。通過機(jī)械聯(lián)動結(jié)構(gòu)461根據(jù)施加的電信號418而調(diào)節(jié)第一可形變透鏡，以便直接將穿過光路的光聚焦到傳感器417上。第一體積(以一種斜線方式圖示)的第一光學(xué)介質(zhì)(比如空氣)和第二體積(以另一種斜線方式圖示)的第二光學(xué)介質(zhì)(比如填充介質(zhì))至少部分地被可形變膜454限定。第一體積450和第二體積452完全被殼體458封閉。也就是說,這兩個體積沒有延伸出殼體458。第一體積450和第二體積452對第一可形變透鏡411的所有構(gòu)造來說基本上是不變的。校正光學(xué)元件412與第一可形變元件411結(jié)合在一起，并且與第二可形變元件452接觸。實(shí)際上，當(dāng)其他可形變透鏡被添加到如圖4所示的系統(tǒng)中(形成其他類型的系統(tǒng))時，應(yīng)當(dāng)理解的是，這些新的元件可以限定類似的新的體積，并且這些類似的新體積相對彼此將會保持不變或者基本不變(就像第一和第二體積相對彼此保持不變一樣)。
[0068]圖4D例示了與圖4C同樣的系統(tǒng)。但是，在這個實(shí)施例中，系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了改變，物體比像在圖4C中投影的物體更接近系統(tǒng)。根據(jù)通過在傳感器417 (移動的方向462)的方向上移動機(jī)械聯(lián)動結(jié)構(gòu)461而施加的電信號，來增大可形變透鏡411的曲率。在這個過程中，第一體積450和第二體積452被可形變膜454分開，并且保持基本不變?，F(xiàn)在參照圖5A、5B、5C和5D,描述了自動聚焦透鏡的其他實(shí)施方式。系統(tǒng)包括光罩510、可形變透鏡520、孔徑光闌513、固定的不可形變透鏡515、致平透鏡521、校正透鏡514以及圖像傳感器平面517。這些組件類似于圖4中的組件，在此不再贅述。
[0069]在圖5A中，系統(tǒng)被表示為這種狀態(tài):可形變透鏡520被倒置，并且透鏡曲率的改變發(fā)生在圖像傳感器平面517的方向上。圖5B示出了具有可形變透鏡520的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用m或者w形狀的致平透鏡521，用來校正像場彎曲和高階像差。在圖5C所示的實(shí)施例中，可形變透鏡522作為第三光學(xué)元件而不是第一光學(xué)元件被放置。在圖所示的透鏡系統(tǒng)中，只采用了三個獨(dú)立的透鏡元件，而不是四個?？梢圆捎眠@些實(shí)施方式的各種組合。
[0070]現(xiàn)在參照圖6A和6B,描述了光學(xué)系統(tǒng)的另一個實(shí)施例。圖6A描述了處于不變焦?fàn)顟B(tài)(也就是廣角模式，變焦因數(shù)=D的變焦透鏡。第一可形變透鏡631處于低聚焦能力的狀態(tài)。光罩630 (例如，由玻璃制成)用來保護(hù)可形變透鏡的表面。校正元件632與可形變透鏡材料(也就是在透鏡631內(nèi)部的填充材料)接觸，并且校正單色像差和多色像差。非球面校正透鏡634的一個功能是校正孔徑光闌后的非球面像差。具有正聚焦能力的第二可形變透鏡636與像差校正元件635接觸。第二可形變透鏡636的作用是改變變焦透鏡的變焦?fàn)顟B(tài)。致平透鏡637的作用，在一個實(shí)施例中，是消除像場彎曲，并被放置在圖像傳感器638的前方?？尚巫兺哥R631和636通過輸入639和640被電流控制。第一可形變透鏡631的控制輸入639來自于自動聚焦算法，并且第二可形變透鏡636的控制輸入來自于用戶決定的變焦輸入(例如，用戶手動控制或者調(diào)節(jié))。
[0071]圖6B描述了與圖6A同樣的變焦透鏡，處于充分變焦?fàn)顟B(tài)(也就是長焦模式，變焦因數(shù)大于約2.5)。第一可形變透鏡631處于高聚焦能力狀態(tài)，而第二可形變透鏡636處于負(fù)聚焦?fàn)顟B(tài)，以便將光束聚焦到傳感器芯片638上?！案呔劢鼓芰Α钡囊馑际墙咕嘈∮诖蠹s5.0mm(聚焦能力大于約200屈光度)，“負(fù)聚焦能力”的意思是焦距在大約-0.4mm到Omm之間(聚焦能力為更負(fù)于大約-250屈光度)。一個或者兩個可調(diào)焦透鏡的能力提供了正和負(fù)的屈光能力(也就是凸形和凹形)。
[0072]現(xiàn)在參照圖7A、7B、7C、7D、7E和7F，描述了變焦透鏡的其他實(shí)施例。第一可形變透鏡731處于低聚焦能力狀態(tài)。“低聚焦能力”是指焦距大于約12.0_。光罩730 (例如由玻璃制成)可以用來保護(hù)可形變透鏡表面。校正元件732與可形變透鏡材料(例如在透鏡731內(nèi)部的填充材料)接觸，并且校正單色像差和多色像差。非球面校正透鏡734的一個作用是校正孔徑光闌733后方的球面像差。因?yàn)榫哂姓劢鼓芰Φ牡诙尚巫兺哥R736與像差校正元件735接觸。第二可形變透鏡736的作用是改變變焦透鏡的變焦?fàn)顟B(tài)。致平透鏡740在一個實(shí)施例中的作用是消除像場彎曲，并被放置在圖像傳感器738前面?？尚巫兺哥R731和736通過控制輸入739和741而被電流或電壓控制。第一可形變透鏡731的控制輸入739源自自動聚焦算法，并且第二可形變透鏡736的控制輸入741源自由用戶決定的變焦輸入(例如用戶手動控制或者調(diào)節(jié))。
[0073]圖7A示出了變焦透鏡的廣角狀態(tài)，包括具有m或w形狀的致平透鏡740，用來校正像場彎曲和高階像差。圖7B示出了透鏡的對應(yīng)長焦?fàn)顟B(tài)。圖7C和7D描述了僅具有兩個焦距可調(diào)透鏡(也就是透鏡731和736)的變焦透鏡系統(tǒng)，包括校正元件和致平透鏡740。在該結(jié)構(gòu)中，焦距可調(diào)透鏡之間沒有校正透鏡。圖7E例示了變焦透鏡系統(tǒng)的實(shí)施例，其中第一焦距可調(diào)透鏡742具有負(fù)屈光力(也就是在廣角變焦模式中的凹形)。圖7F示出了透鏡的對應(yīng)長焦?fàn)顟B(tài)下的系統(tǒng)，其中包括具有正屈光力(也就是凸形)的第一可形變透鏡742。在其他實(shí)施方式中也可以更換或者去除各種光學(xué)元件。
[0074]參照圖8A和SB，描述了可形變透鏡的變型，包括校正透鏡元件801和填充材料802。圖8A示出了優(yōu)選的版本，其中被校正光學(xué)元件901和填充材料802限定的界面803在其形狀上至少相對于校正光學(xué)元件的起到光學(xué)作用的部分沒有屈光點(diǎn)。在這些元件中存在于形狀中的屈光點(diǎn)是不希望出現(xiàn)的，因?yàn)檫@會導(dǎo)致溫度敏感。如果光學(xué)表面存在屈折點(diǎn)，則當(dāng)溫度(作為對折射率差的增強(qiáng)敏感度而)偏離設(shè)計溫度時，填充材料與校正透鏡元件之間的界面中的任何超過二(二次的)的附加表面級數(shù)都會導(dǎo)致像質(zhì)的急劇下降。消除所有的屈折點(diǎn)就能消除或者基本上消除這些問題。圖8B示出了一種不希望出現(xiàn)的界面804的實(shí)施例，其中界面804在校正光學(xué)透鏡與填充材料之間。因?yàn)橛筛唠A多項式表示，因此在表面出現(xiàn)了屈光點(diǎn)。
[0075]圖9示出了光學(xué)系統(tǒng)的可選部分的實(shí)施例。該實(shí)施例包括上部可變光學(xué)部件990，其包括膜992、光學(xué)填充材料993、容器991和嵌入(或者集成)在容器991中的校正光學(xué)元件994。光學(xué)部件990是距離傳感器999最遠(yuǎn)的光學(xué)元件。這種方式提供了性能最大化，同時從傳感器999到光罩998 (例如玻璃光罩)的高度最小化的組件。本實(shí)施例進(jìn)一步的方面是具有嵌入到容器991 (例如使得光學(xué)元件994與填充材料993接觸)的光學(xué)元件994。在該實(shí)施例中，第二透鏡能夠從正屈光力變?yōu)樨?fù)屈光力，從而允許實(shí)現(xiàn)非常緊湊的光學(xué)設(shè)計。
[0076]在圖9所示的實(shí)施例中，磁性結(jié)構(gòu)耦接在一起，并且通過系統(tǒng)的一個或多個光學(xué)元件耦接(例如，透鏡、容器或者膜)。該系統(tǒng)具有進(jìn)一步的特點(diǎn)，即在電機(jī)結(jié)構(gòu)之間具有非常小的氣隙。端返回(side return)結(jié)構(gòu)可以自附接到殼體上，因此提供了不需要粘接劑(例如，膠)的易組裝方式。從組裝的觀點(diǎn)來看，這種方式也是耐錯的，因?yàn)榍懊嫣岬降臍庀秾詣拥乇粠氲秸_的中心位置。明確限定了磁體，并且殼體內(nèi)部的位置限定了磁體的位置。所有這些結(jié)構(gòu)依據(jù)的都是根據(jù)題為“Lens Assembly System and Method”、代理人案卷號為97372并且在與本申請的同一天申請的申請中所描述的任意方法，該申請的內(nèi)容在此全文引入。
[0077]可對本發(fā)明進(jìn)行多種修改和變換，本文用示例的方式說明了某種實(shí)施方式，并在此對這些實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)描述。可以理解地，本發(fā)明并不局限于已經(jīng)描述的特定的形式，相反，在不脫離本發(fā)明主旨的情況下，本發(fā)明涵蓋了所有的修改、形變和等同方式。
[0078]在此描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，包括為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解，所示的實(shí)施方式僅僅是示例性的，不應(yīng)當(dāng)作為對本發(fā)明主旨的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)包括: 第一可形變透鏡，其包括填充材料； 剛性的校正光學(xué)元件，其與所述填充材料接觸； 傳感器，其用于接收由所述第一可形變透鏡聚焦的光； 光路，其通過所述第一可形變透鏡和所述校正元件延伸到所述傳感器； 其中，根據(jù)所施加的人工信號或電信號對所述第一可形變透鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)，以將穿過所述光路的光直接聚焦至所述傳感器上，并且其中，所述校正元件調(diào)節(jié)穿過所述光路的光的至少一個特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，其中，所述第一可形變透鏡至少部分地由從以下元件構(gòu)成的組中選擇的元件進(jìn)行調(diào)節(jié):靜電致動器、電磁致動器、壓電電機(jī)、磁致伸縮致動器、步進(jìn)電機(jī)以及電活性聚合物致動器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述光路中的第二可形變透鏡，該第二可形變透鏡與所述第一可形變透鏡一起將穿過所述光路的光聚焦至所述傳感器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透鏡系統(tǒng)，其中，所述第一可形變透鏡和所述第二可形變透鏡至少部分地由從以下元件構(gòu)成的組中選擇的元件進(jìn)行調(diào)節(jié):靜電致動器、電磁致動器、壓電電機(jī)、磁致伸縮致動器、步進(jìn)電機(jī)以及電活性聚合物致動器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，其中，由所述校正光學(xué)元件和所述填充材料限定的界面的形狀在設(shè)計光線經(jīng)過的地方不存在屈折點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，其中，所述第一可形變透鏡被配置為從凹形變?yōu)橥剐巍?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透鏡系統(tǒng)，其中，所述第二可形變透鏡被配置為從凸形變?yōu)榘夹巍?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)還包括固定的校正透鏡元件，并且其中，所述固定的校正透鏡元件與所述可形變透鏡的填充材料接觸并且被配置為校正單色像差或者多色像差。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的透鏡系統(tǒng)，其中，所述固定的校正透鏡元件由剛性材料構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，其中，在兩個可形變透鏡之間設(shè)置有孔徑光闌。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，其中，在所述第一可形變透鏡的內(nèi)部設(shè)置有孔徑光闌。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述光路中的固定的不可形變透鏡，其中，所述固定的不可形變透鏡由剛性材料構(gòu)成，并且其中，所述固定的不可形變透鏡被配置為校正單色像差或者球面像差。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述光路中的至少一個固定的不可形變透鏡，其中，所述固定的聚焦透鏡由剛性材料構(gòu)成，并且其中，所述至少一個固定的不可形變透鏡被配置為校正多色像差。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透鏡系統(tǒng)，該透鏡系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述光路中的校正透鏡，其中，所述校正透鏡由剛性材料構(gòu)成，所述校正透鏡被設(shè)置在最靠近所述傳感器的可形變透鏡與所述傳感器之間。
【文檔編號】H04N5/225GK104317052SQ201410663141
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2009年3月13日
【發(fā)明者】M·布勒, C·格萊茲爾, D·內(nèi)德爾, M·阿希萬登 申請人:奧普圖恩公司